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阿基米德,让大象跳舞的秘密

京东智联云 | 云智联世界 2021/09/27 09:45

驾驭京东云的全球最大规模Docker集群、最大规模Kubernetes集群,如同要让大象学会跳舞,以庞大身躯跳出轻盈优雅的舞步。

容器编排、负载均衡、集群扩缩容......当资源调度的各项内容被冠以“超大规模集群”后,简单的调度分配资源算法已经无法满足复杂的调度需求, 阿基米德调度系统 应运而生。

新知达人, 阿基米德,让大象跳舞的秘密

01 撬动数据中心的支点

在行业首个混合云操作系统云舰中,阿基米德作为核心调度系统,是资源交付的基石,负责整个京东数据中心的资源调度,是撬动整个数据中心的支点。

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举例最直观的的感知:京东的电商场景中,购物车、订单、详情等,涉及到的每一台容器分布,包括容器编排、单机计算资源、内存资源,均由阿基米德分配和调度,特别是618、11.11的超大流量场景下,少数容器编排错误都有可能给业务带来致命影响,调度器需负责把控峰值时每一台容器计算的质量,其重要性可想而知。

经历京东体系复杂场景的多年磨练,阿基米德可实现最优的集群全局调度、最优的一次作业调度,不仅能确保全局资源编排和成本最优、资源运行最稳定,还能在集群内选择最合适的宿主机,以最佳的资源使用、最少的相互干扰(如 CPU 分布、IO 争抢),来运行提交的计算作业。

02 五大技术支撑,成就领先调度能力

// 基于预测的智能调度

阿基米德在核心功能——调度方面,利用机器学习、深度学习智能算法,对应用的资源使用情况进行画像统计,并对应用的未来资源使用情况进行预测,以对应用进行合理部署,实现资源的优化调度。

具体来看,阿基米德采用强化机器学习算法,可根据应用的历史数据,提取其资源使用的特征,进而将不同的应用进行归类,形成应用画像。综合应用画像和批处理任务的描述,对未来一段时间的任务调度进行提前规划,使得业务能够正常运行的同时,资源得到充分的利用,有效防止了批处理任务与长期服务的资源竞争。

阿基米德的智能调度可以成倍提升资源利用率成倍提升,极大降低企业采购成本,以今年618为例,阿基米德调度实现CPU利用率3倍的提升。

//  基于监控数据的精准驱逐与碎片整理

资源碎片在几乎每台服务器上都有发生,不同批次采购的服务器规格性能不同,服务器上的CPU或者内存配额没有同时分配完,就会出现资源碎片。

同时在长期服务中,特别是面向用户的任务,会出现明显的高峰低谷,而且不同长期服务的资源消耗也不同,因此集群中的时空资源利用率不均是常态。

针对资源碎片和时空分布不均问题造成的资源浪费,阿基米德通过对数据进行全面监控,采用批处理任务进行统一填充式调度,完成资源碎片的充分利用、资源的时空复用,保障长期服务稳定存在,以及低频度迁移。同时阿基米德会时刻保持一定的资源 buffer 应对突发流量的资源需求。

//  调度器仿真系统及回放

为充分模拟真实事件状况和实际操作过程,阿基米德支持通过模拟器+线上数据回放,对调度请求进行仿真模拟,形成新的数据建模,并优化调度方案,为智能调度提供更优方案。

以最小成本、最快速度,阿基米德可分三步完成1:1机器资源和请求要求的调度需求模拟,培养真实复杂场景的调度能力。

仿真剧本管理模块: 用以采集清洗线上真实数据,生成仿真剧本,并可以支持纯模拟剧本生成

仿真调度模拟模块: 将仿真数据灌入,经过调度算法调度,模拟调度过程,最终生成调度结果

调度算法评测模块: 对调度过程和结果进行监测和评测,并通过可视化图表对调度过程进行展示

//  离在线混合部署

伴随京东购物节规模指数级增长,添置服务器成为耗资巨大的烧钱工程。高出日常峰值的机器过后闲置,又不可避免地造成资源浪费。

阿基米德支持将延迟不敏感的离线计算任务和延迟敏感的在线服务,部署到同一集群上运行,让在线服务的空闲资源充分被离线计算任务所使用,在线业务、离线业务共享混合云操作系统云舰的资源池。

通过应用分级、DiskIO限速、Job调度管理、Pod流量限速等方式,阿基米德可保证离线业务不会影响在线业务,提高资源利用率。

//  多样化IP地址管理

通过用户annotation配置,阿基米德可实现多应用场景的IP地址管理,包括IP地址随机分配,用户指定pod IP地址,用户应用分组内IP保留和用户自定义私有IP池等。

03 复杂场景实践

数智化基础设施降本增效

阿基米德调度系统已经全面接管京东的应用资源调度,每日调度百万台容器实例运转,服务履约率达到98.3%。

2021年618,在保证业务的正常运行下,京东超大规模集群的CPU资源利用率提升3倍,单位订单资源成本下降30%,内存平均使用率提升57%,交付效率提升150%,在11.11备战期间,阿基米德节省了数亿元的服务器采购成本。

在零售行业,针对离在线任务的不同运行需求(在线任务资源占用少、响应要求快,离线任务占用资源大、响应要求慢),阿基米德混合部署两个集群,把不同类型的任务调度到相同的物理资源上,借助智能调度及资源隔离等方式保障SLO(服务等级目标service level objective),极大降低成本。

在金融行业,尤其是支付场景,阿基米德让各种配置不同的设施能够在交易高峰期,以秒级速度将在线服务器的各种软件、应用转移到离线服务器中,极大提升资源利用率。

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在互联网行业,经常出现流量高并发的业务场景,阿基米德通过冷热节点混部方式,充分释放冷节点CPU利用率,有效满足日志等数据处理需求。遇到购物节这类单量爆涨的场景,也可以通过K8S管理与调度充足计算资源支持,保证每一单平稳顺畅。

不止于资源调度,阿基米德在绿色节能方面也有卓越表现。

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通常而言,机房的电力消耗主要是制冷为 CPU 降温。阿基米德会根据应用画像与调度规划,对于服务器 CPU 的主频进行相应调整,以达到节能降耗的作用,在多个核心机房进行的大规模实践中,已取得了降低能耗降低 17% 的成果。

经过多年京东业务实践,阿基米德调度系统已在大规模超复杂场景中,实现了常态化应用,并通过混合云操作系统云舰对外开放,让更多产业客户用更低的成本获得更强的计算能力,持续提升客户的数智基础设施效率。

未来,阿基米德调度系统将进一步推动优化调度算法,精确应用画像,提升调度的准确性,在整合计算、提升效率、节能降耗方面进行更多的实践,并把更多的业务一线的调度数据和模型与业界分享。

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